可信性方法在高速公路隧道中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用

喬 立

北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 河南 鄭州 450046

引言

隨著國(guó)內(nèi)高速公路迅速發(fā)展，截止到2017年7月左右，高速公路里程已達(dá)13.1萬(wàn)公里[1]。高速公路沿線長(zhǎng)，而且中國(guó)又是山嶺眾多的國(guó)家，穿越山嶺是修建高速公路必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，但是由于山嶺地質(zhì)復(fù)雜，環(huán)象叢生，必然給施工方、設(shè)計(jì)方等帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。近幾年，修建高速公路隧道過(guò)程中，由于圍巖勘探不精準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)管理不到位、加固措施不及時(shí)，以及隧道存在的一些不可控制因素等，都導(dǎo)致了高速公路隧道的施工事故問(wèn)題較其他工程偏高。所以，如何降低高速公路隧道事故發(fā)生率以及發(fā)生后果的嚴(yán)重程度，已經(jīng)是我們國(guó)家和社會(huì)需要重視的課題。

高速公路隧道事故發(fā)生的因素往往是隨機(jī)性、不確定性，所以需要采用風(fēng)險(xiǎn)分析理論對(duì)這些因素進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從中找到影響高速公路隧道施工安全的幾個(gè)重要風(fēng)險(xiǎn)因素，然后對(duì)這些因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定，確定隧道施工安全水平。目前常用的分析方法有[2-7]：模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)斷、敏感性分析方法、模糊層次綜合分析方法等。綜合分析，本文采用可信性風(fēng)險(xiǎn)分析方法和專家權(quán)重法[8]。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道調(diào)研，得到高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中主要的風(fēng)險(xiǎn)事故概率以及造成的后果，并采用可信性分析方法對(duì)高速公路隧道施工期的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防。

1 公路隧道施工概況

楓木界隧道位于廣西梧州至柳州的一段高速公路隧道，該隧道為曲線連拱隧道，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，隧道分左洞和右洞，左洞起止為ZK142+185- ZK143+690，全長(zhǎng)為1505m，右洞起止為K142+206- ZK143+684，全長(zhǎng)為1478m，屬于長(zhǎng)隧道，最大埋深302m，隧道凈空（寬×高）10.75m×5.0m，采用新奧法進(jìn)行施工。楓木界隧道圍巖級(jí)別分別為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)三種，其中隧道左、右洞Ⅲ級(jí)圍巖分別占73%和74%，目前左右隧道都進(jìn)入Ⅲ級(jí)圍巖，分為60m和20m。該隧道出口左右洞已開(kāi)挖段的圍巖從地質(zhì)情況揭示為中風(fēng)化砂巖，呈鑲嵌破裂-散體碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間結(jié)合差，巖體結(jié)構(gòu)面呈水平薄層狀且多含泥質(zhì)填充膠結(jié)，拱頂結(jié)構(gòu)面易形成不利組合、易掉塊，圍巖自穩(wěn)性降低，為Ⅲ級(jí)偏弱圍巖，與原設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別存在一定偏差，給施工安全帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

2 可信性方法的風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析的基本概念

所謂風(fēng)險(xiǎn)，就是我們不希望的不幸事件發(fā)生的概率和可能性，或者是產(chǎn)生危險(xiǎn)后果的可能性，高速公路隧道的風(fēng)險(xiǎn)可以定義為：

式中：R—高速公路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)；p—發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率；D—風(fēng)險(xiǎn)損失，主要包括經(jīng)濟(jì)損失DC、人員傷亡DL、工期損失DT等。

風(fēng)險(xiǎn)分析通常分為三個(gè)步驟[9]：

（1）風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)：分析高速公路隧道施工階段所有的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，通過(guò)歸類、篩選，從中找到幾個(gè)影響較大的風(fēng)險(xiǎn)因素。

（2）風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)：對(duì)幾個(gè)影響較大的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行概率和后果進(jìn)行估計(jì)，算出風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。

（3）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：按照國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。

2.2 可信性方法

可信性方法是一種非定量的集合性術(shù)語(yǔ)?；诳尚判缘母咚俟匪淼朗┕て陲L(fēng)險(xiǎn)可以分為兩類：

（1）高速公路隧道在施工中，圍巖的不穩(wěn)定，施工計(jì)劃受到干擾，資金超過(guò)預(yù)期的支出，山體出現(xiàn)滑坡，可信性達(dá)不到預(yù)期水平。

（2）高速公路隧道施工階段發(fā)生事故后，后果通常包括人參傷亡情況，經(jīng)濟(jì)損失情況，環(huán)境污染嚴(yán)重程度，山體的破壞程度。

基于可信性的高速公路隧道施工階段風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)上述兩類危險(xiǎn)可能發(fā)生的概率大小和發(fā)生后造成的后果嚴(yán)重程度用風(fēng)險(xiǎn)度來(lái)度量。

風(fēng)險(xiǎn)度（r）與風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率Pf和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果嚴(yán)重程度Df存在著如下的關(guān)系[10]：

式中Df和Pf的表達(dá)式分別如下：

式（3）中：Dfj—第j類風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度，ωj—第j類風(fēng)險(xiǎn)后果的權(quán)重，

式（4）中：Pfi—第i類風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度，ωi—第i類風(fēng)險(xiǎn)后果的權(quán)重，

3 可信性方法的工程應(yīng)用

本文研究對(duì)象如第一部分介紹的某高速公路開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際圍巖等級(jí)與勘探圍巖等級(jí)存在一定的偏差以及由于存在的風(fēng)險(xiǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和工期損失，其他非關(guān)鍵因素不予考慮。為了得到高速公路隧道工程施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)的大小，通過(guò)專家調(diào)查打分并進(jìn)行權(quán)重分析。本次調(diào)研在南寧地區(qū)進(jìn)行，為了確保打分的有效性和可信性，發(fā)送的對(duì)象都是在施工單位、科研單位以及設(shè)計(jì)單位有著非常豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)過(guò)硬的專家，發(fā)送的問(wèn)卷為25份，收回20份，中級(jí)及中級(jí)以上職稱占到總?cè)藬?shù)的75%，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。調(diào)查內(nèi)容主要包括開(kāi)挖時(shí)主要風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生概率和損失兩部分，損失一般包括經(jīng)濟(jì)損失、工期損失和人員傷亡三部分。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

根據(jù)高速公路隧道風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)對(duì)象主要包括風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率、風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生產(chǎn)生后果以及風(fēng)險(xiǎn)水平的等級(jí)。進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之前需要建立一個(gè)適合高速公路隧道工程要求和規(guī)模的分析體系，評(píng)估每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率極其產(chǎn)生的破壞程度，為下一步需要采取不同的措施提供評(píng)判依據(jù)。風(fēng)險(xiǎn)概率分級(jí)體系適用于所有風(fēng)險(xiǎn)，而后果分級(jí)體系分為經(jīng)濟(jì)損失、工期損失和人員傷亡三方面的風(fēng)險(xiǎn)，這三方面通過(guò)相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別可以應(yīng)用于所有類型的風(fēng)險(xiǎn)的要求。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]得到高速公路隧道概率、后果和風(fēng)險(xiǎn)水平的分級(jí)如下表1、表2和表3所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率

表2 風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后果

表3 風(fēng)險(xiǎn)水平分級(jí)

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

由于每個(gè)專家自身的背景、教育程度、工作經(jīng)歷不同，在對(duì)同一事件做出評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)有不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，所以需要對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最終得到一個(gè)比較客觀的綜合結(jié)果。本文采用加權(quán)平均法，首先根據(jù)專家的不同資歷、職稱、權(quán)威性等設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，然后對(duì)事件判斷出來(lái)的相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行累加，最后得到的目標(biāo)值是最接近真實(shí)的數(shù)值。本文結(jié)合實(shí)際情況，將專家分為四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的權(quán)重如表4所示[14]。

表4 專家權(quán)重確定方法

結(jié)合專家人數(shù)和專家權(quán)重，確定每個(gè)事件的風(fēng)險(xiǎn)概率[15]，公式如下：

式中：Pi—專家對(duì)第i個(gè)事件作出的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；ωij—第j個(gè)專家對(duì)第i個(gè)事件的權(quán)重系數(shù)；Eij—第j個(gè)專家評(píng)價(jià)第i個(gè)事件時(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

通過(guò)公式（5）的計(jì)算，可以得到高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生事故的概率及后果如表5和表6所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率及權(quán)重

表6 風(fēng)險(xiǎn)后果及權(quán)重

由公式（4）計(jì)算可以得到高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生事故后產(chǎn)生后果嚴(yán)重程度為：Df=0.312

由公式（4）計(jì)算可以得到高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率為：Pf=0.302

得到Df和Pf后，將它們代入公式（2），風(fēng)險(xiǎn)度為：

對(duì)照表3，高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中總體風(fēng)險(xiǎn)為三級(jí)，有一定的危險(xiǎn)，需要上層領(lǐng)導(dǎo)采取相應(yīng)的對(duì)應(yīng)措施。

3.3 對(duì)應(yīng)措施

通過(guò)對(duì)該高速公路隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得到了該隧道存在一定的安全隱患，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行預(yù)防。

1、由于勘察設(shè)計(jì)的圍巖級(jí)別與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的圍巖級(jí)別存在偏差，而且低于設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別，所以需要對(duì)洞頂上部圍巖進(jìn)行注漿，提高圍巖的自穩(wěn)性。

2、通過(guò)改變支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗圍巖壓力的能力，確保洞內(nèi)施工人員的生命安全。

3、加強(qiáng)洞內(nèi)巡查和監(jiān)測(cè)，及時(shí)匯報(bào)每天洞內(nèi)變形情況，以便及時(shí)調(diào)整方案，避免嚴(yán)重后果的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）本文對(duì)高速公路隧道的基本概況進(jìn)行闡述，找到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的原因；然后引入可信性風(fēng)險(xiǎn)分析方法，建立了適用于高速公路隧道的風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率、風(fēng)險(xiǎn)事故后果和風(fēng)險(xiǎn)水準(zhǔn)等級(jí)，以便為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支撐。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到該高速公路隧道開(kāi)過(guò)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

（2）采用可信性風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對(duì)該高速公路隧道開(kāi)完過(guò)程中主要風(fēng)險(xiǎn)事故概率、風(fēng)險(xiǎn)后果數(shù)值進(jìn)行了評(píng)定，得到該高速公路隧道總體風(fēng)險(xiǎn)度為0.520，屬于三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防；最后結(jié)合實(shí)際情況，提出了幾條預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的措施和建議。